W celu określenia poprawnej wydajności klimatyzatora dla danej aplikacji sprawą krytyczną jest określenie ilości energii cieplnej (w watach lub BTU na godzinę), która będzie wytwarzana przez urządzenia zamknięte wewnątrz obudowy. Wewnętrzne obciążenie cieplne to ilość energii cieplnej wytwarzanej przez układy elektroniczne wewnątrz obudowy. Wynika ono z niewykorzystanego przepływu energii elektrycznej przez komponenty tych układów.
Istnieje wiele sposobów określenia obciążenia cieplnego wewnątrz obudowy. Najprościej jest dodać podawane przez producentów obciążenia cieplne wszystkich zainstalowanych układów elektronicznych.
Inne podejście polega na dodaniu wartości energii elektrycznej pobieranej przez elementy elektroniczne i pomnożenie tej sumy przez sprawność systemu. Otrzymana liczba określa zapotrzebowanie na wydajność chłodzenia. Na przykład, jeżeli elektronika pobiera łącznie moc o wartości 500 W przy wydajności 20%, system użytkuje jedynie 100 W energii elektrycznej dla rzeczywistego funkcjonowania. Pozostałe 400 W jest rozpraszane w postaci energii cieplnej.
Czynniki wpływające na wydajność chłodzenia
W dziedzinie elektroniki wydajność chłodzenia oznacza maksymalną ilość energii cieplnej, która może być usunięta w jednostce czasu przez dany produkt z zakresu klimatyzacji, jest ona wyrażana w watach lub BTU na godzinę. Wydajność chłodzenia dowolnego klimatyzatora obudowy zależy nie tylko od jego konstrukcji, ale także od różnych czynników specyficznych dla poszczególnych aplikacji. Czynniki te obejmują temperaturę otoczenia, maksymalną dopuszczalną temperaturę wnętrza oraz częstotliwość roboczą (w Hz).
Temperatura otoczenia (Ta) może mieć znaczny wpływ na wydajność chłodzenia klimatyzatora. Jeżeli klimatyzator pracuje w wysokich temperaturach otoczenia (np. 55°C), może to prowadzić do mniejszej wydajności chłodzenia. Wynika to z faktu, że klimatyzatory pracują, przemieszczając gorące powietrze z wnętrza obudowy i przesyłając energię cieplną z szafki do otaczającego środowiska. Im gorętsze jest powietrze na zewnątrz, tym mniejsza jest zdolność klimatyzatora do przesyłania energii cieplnej na zewnątrz obudowy za pośrednictwem wężownicy parownika. Gdy klimatyzatory są umieszczane w miejscach o niższych temperaturach otoczenia, ponieważ wówczas przepływ ciepła przez wężownicę do otoczenia jest szybszy, co w konsekwencji zwiększa wydajność chłodzenia klimatyzatora.
Maksymalna dopuszczalna temperatura wewnętrzna w obudowie (Ti) ma także znaczenie dla ustalenia wydajności chłodzenia klimatyzatora, ponieważ określa ona, ile energii cieplnej należy usunąć z wnętrza obudowy, jest to przy tym parametr mający różne wartości dla różnych aplikacji. W typowych warunkach klimatyzatory pracują, utrzymując temperaturę wnętrza nieprzekraczającą określonej nastawy. Zalecane wartości nastawy dla klimatyzatorów chłodzących wnętrza obudów leżą w zakresie pomiędzy 30°C do 40°C, w zależności od rodzaju układów elektronicznych zainstalowanych w danej obudowie. Niższe nastawy temperatury mogą prowadzić do nadmiernej kondensacji wilgoci, dlatego należy ich unikać.
Przykład:
Nastawa temperatury klimatyzatora wynosi 35°C, a nastawa różnicowa (czyli histereza regulacji) wynosi 5°C. Wówczas klimatyzator nie uruchamia się zanim temperatura nie wzrośnie do 35°C, a następnie rozpoczyna pracę i po pewnym czasie obniża temperaturę do 30°C. Ponieważ w ten sposób osiągnięta została nastawa różnicowa, klimatyzator wyłącza się, dopóki wartość temperatury wewnątrz obudowy nie wzrośnie ponownie do wartości nastawy 35°C.
Trzecim czynnikiem wpływającym na wydajność chłodzenia jest częstotliwość robocza. W USA standardem jest 60 Hz, ale w innych krajach stosowana jest wartość 50 Hz. Kiedy klimatyzator pracuje przy częstotliwości 60 Hz, wentylatory i sprężarka obracają się szybciej niż przy częstotliwości 50 Hz, w rezultacie klimatyzator przy częstotliwości 60 Hz ma wyższe osiągi.
Zatem określając wydajność chłodzenia, jaką powinien mieć klimatyzator, należy rozważyć, w jakich warunkach temperatury i przy jakiej częstotliwości roboczej ta wydajność ma być osiągana.
W Europie inaczej niż w USA
W Ameryce Północnej nie istnieje formalna norma dotycząca testowania lub publikacji danych na temat wydajności chłodzenia, dlatego większość producentów stosuje maksymalne temperatury, w jakich dany klimatyzator może pracować, jako punkty odniesienia (maksymalne temperatury wewnętrzne i zewnętrzne). Maksymalna temperatura pracy może być różna dla różnych modeli, a także dla różnych producentów. W typowych przypadkach maksymalna temperatura pracy wynosi 55°C.
W Europie stosowana jest norma DIN 3168/EN 814 część 500 (Europejska norma dotycząca sterowania klimatem wewnątrz obudowy). Norma ta zapewnia bardziej realistyczny sposób określania osiągów urządzeń, wymagając, aby wszyscy producenci stosowali te same warunki temperaturowe, podając wydajność chłodzenia – pozwala to użytkownikom na bezpośrednie porównywanie podawanych parametrów.
Wykresy osiągów klimatyzatora
Do określenia wydajności chłodzenia klimatyzatora w opisanych wyżej zmieniających się warunkach można wykorzystać wykres osiągów. Wykresy takie pokazują wydajność chłodzenia klimatyzatora zgodnie z wymaganiami normy DIN 3168, przy różnych wartościach temperatur, także w skrajnych warunkach roboczych. Pomaga to użytkownikom w ustaleniu, jak dany klimatyzator będzie się sprawował w określonej aplikacji.
Przy wyborze klimatyzatora najłatwiejszym sposobem określenia jego osiągów przy określonych temperaturach jest użycie oprogramowania do wyboru klimatyzatora. Tego rodzaju wygodne w użyciu narzędzia prowadzą użytkownika krok po kroku przez kolejne czynniki wpływające na warunki pracy w danej aplikacji.
Obliczanie wydajności klimatyzatora
Wzór określający sprawność klimatyzatora jest prosty
– jest to po prostu stosunek użytecznej wydajności chłodzenia do poboru mocy. Im wyższy współczynnik wydajności chłodzenia, tym wydajniejszy jest klimatyzator.
Przykład:
Klimatyzator obudowy: 460 V, 60 Hz
Wydajność chłodzenia przy 95/95, 60 Hz: 2700 W
Pobór mocy przy 95/95, 60 Hz: 1500 W
Współczynnik wydajności chłodzenia = 2700/1500
Współczynnik wydajności chłodzenia = 1,8
Obliczanie wpływu wilgotności
Nieuniknionym efektem ubocznym stosowania klimatyzatorów jest zmniejszenie wilgotności powietrza wewnątrz obudowy. W miarę schładzania część wilgoci zawartej w powietrzu ulega kondensacji na wężownicy parownika. Niezawodne usuwanie tego kondensatu z wnętrza obudowy jest ważnym czynnikiem, jaki należy rozważyć. Jest to osiągane w urządzeniach konwencjonalnych za pomocą przewodów odprowadzających kondensat do butli zbiorczych, a w bardziej zaawansowanych produktach przez odparowanie kondensatu.
Ilość powstającego kondensatu zależy od wilgotności względnej, temperatury powietrza wewnątrz obudowy, temperatury wężownicy parownika i objętości powietrza wewnątrz obudowy. Wykres Molliera h-x stosowany jest do wyznaczania zawartości wody w powietrzu w zależności od jego temperatury i wilgotności względnej.
Przykład obliczeniowy:
Temperatura nastawy klimatyzatora obudowy wynosi Ti = 35°C. Względna wilgotność otaczającego powietrza jest równa 70%. Powietrze o temperaturze 35°C przepływa nad wężownicą parownika mającą temperaturę około 18°C (przybliżona temperatura parowania chłodziwa). W warstwie zewnętrznej, przylegającej do powierzchni wężownicy parownika, woda (kondensat) osadza się w temperaturze rosy. Różnica Δx = x1-x2, wskazuje ilość kondensatu, który pojawia się na każde 2,2 lb powietrza przy całkowitym odwilgoceniu. To, jak szczelna jest obudowa, ma istotne znaczenie przy określaniu ilości kondensatu pojawiającego się w danej aplikacji. Ponieważ ilość powietrza (a w rezultacie także ilość wilgoci) w odpowiednio uszczelnionej obudowie jest ograniczona, ograniczona zostanie także ilość kondensatu.
Przykład wykorzystujący wykres Molliera h-x:
Równanie: W = V • ρ • Δx
gdzie:
W = ilość wody w gramach
V = objętość w m³
ρ = gęstość powietrza w kg/m³
Δx = różnica zawartości wody w g/kg suchego powietrza (z wykresu Molliera h-x)
Drzwi obudowy zamknięte, otaczające powietrze nie przedostaje się do wnętrza – odprowadzana jest tylko wilgoć zamknięta wewnątrz obudowy.
V = W • H • D = 0,6 m • 2 m • 0,5 m
V = 0,6 m³
W = V • ρ • Δx = 0,6 m³ • 1,2 kg/m³ •• 11 g/kg
W = 7,92 g = 8 ml
Jeżeli w ramach powyższego przykładu rozpatrzymy obudowę, która nie jest odpowiednio uszczelniona, otrzymamy znacznie większą kondensację. Otaczające (wilgotne) powietrze może przedostawać się do wnętrza obudowy przez źle uszczelnione wloty kablowe, uszkodzone lub otwarte drzwiczki obudowy i uszkodzone uszczelki, powodując wzrost ilości kondensatu. Jeżeli przykładowo otaczające powietrze dostaje się do wnętrza obudowy z szybkością 5 m³/h, wydzielająca się ciągle ilość kondensatu może osiągnąć 2,7 oz/h (80ml/h).
Dlatego też zaleca się, aby pulpity operatorskie mogły być zawsze obsługiwane przy zamkniętych drzwiczkach obudowy oraz aby wszystkie strony obudowy były odpowiednio uszczelnione i zaopatrzone w uszczelki. Zaleca się ponadto stosowanie odpowiednich wyłączników w drzwiczkach, przerywających działanie klimatyzatora po ich otwarciu oraz nastawianie wartości wewnętrznej temperatury obudowy jedynie na tyle niskiej, na ile jest to rzeczywiście niezbędne.
Wnioski
Właściwy wybór klimatyzatorów do zastosowań w obudowach przemysłowych ma zasadnicze znaczenie dla maksymalizacji wydajności, osiągów i całkowitego zwrotu z inwestycji. Wiedząc, jakie czynniki należy wziąć pod uwagę, można uzyskać oszczędności, obniżyć koszty eksploatacji, znacznie zwiększyć okres eksploatacji i niezawodność zainstalowanego sprzętu i poprawić całkowitą niezawodność eksploatacji.
Judith Koetzsch, Mark Corcoran
Autor: Judith Koetzsch, Mark Corcoran
